速度超越真水母！继猎豹机器人后，美科学家开发水母启发的软体机器人

从自然界获取灵感，越来越多的仿生软体机器人问世，但模仿归模仿，真正超越了软体动物的机器人寥寥无几。

最近，北卡罗莱纳州立大学和天普大学的工程研究人员开发了一种受水母启发的软体机器人，采用了预应力聚合物技术，速度比真正的水母还要快。

北卡罗来纳州立大学机械与航天工程学院之前开发的第一代机器人，就是号称史上速度最快，受猎豹启发的软体机器人，尽管它们的速度非常快，而且也很灵敏，但它们的内脊仍然是硬的。

这次，当研究人员想制造一个没有内脊的完全软的机器人时，第一个想到的动物就是水母。

‘水母’游泳的秘密

水母游泳的能量效率在海洋环境中是无与伦比的。该团队试图通过使用预应力聚合物圆盘来重现这一点。

圆盘由三层聚合物组成，底层通过向四个不同的方向拉伸而预先产生内部应力；中间层具有空气通道；顶层为非预应力层。这种聚合物圆盘的堆叠使得软体机器人可以在放松状态和弯曲状态之间进行切换。

水母机器人“放松”时，圆盘呈浅碗状。当空气被泵入通道层时，迅速反转为圆顶。这使得机器人可以推开水，自己向前移动。

研究人员对比了施加预应力（上）与未施加预应力（下）的软体机器人的游泳状态，如下图：

显然，这种预应力材料技术使机器人在水中游得更快，平均速度为每秒53.3毫米，超越了真水母游泳的速度（30毫米/秒）。

软体爬虫机器人

利用的相同的原理，研究人员还制作了可以快速移动的软体爬虫机器人。它像一个幼虫在蜷缩身体，然后向前跳跃，迅速释放出储存的能量。

不仅可以通过将空气泵入通道层来使机器人'弯曲'，还能通过控制预应力层的相对厚度来控制弯曲的方向。想象一个皱着眉头的脸，如果预应力底层比非应力顶层薄，皱眉曲线将弯曲成微笑曲线；如果预应力底层比非应力顶层厚，皱眉会变得越来越明显。无论哪种方式，一旦允许空气离开通道层，材料就会恢复其原始的“静止”状态。

下图是三个施加了不同的预应力的爬虫机器人田径比赛，预应力分别为10％，20％和40％。

软体机械抓手

最后，研究人员制造了一个三指的软体机械抓手。

大多数软机械抓手在“放松”时会张开，驱动时手指合拢抓起物体。但是，利用预应力材料技术的软抓手恰恰相反，其默认状态为手指弯曲并合拢，打开夹持器需要一定的能量。但是一旦夹持器就位，将返回其“静止”模式，即保持货物被紧紧抓住。

不需要能量即可将其固定在物体上，这种设计大大的提高了运输和抓取物体时的效率。

总结与展望

该工作利用一种简单的策略——机械预拉伸松弛，设计了高性能的2D双层弯曲软体机器人和3D圆顶致动器。通过在预拉伸层和应变限制层之间切换偏置厚度，可以翻转2D和3D执行器中的弯曲方向，并可以通过操纵预拉伸应变来调整其单稳态和双稳态。

尽管传统的弹性体材料已在气动驱动中发挥优势，但我们仍可以设想，利用利用预拉伸松弛的策略，可进一步提高软体机器人技术的多功能性，包括形状记忆聚合物、合金，电活性聚合物、以及对热，电，光和磁场等不同驱动输入的刺激响应材料。

论文直通车

这项研究发表在《Advanced Materials Technologies》杂志上。由北卡罗来纳州立大学的尹杰教授，博士生Yichao Tang，以及天普大学的Haijun Liu先生合作完成，在美国国家科学基金会（National Science Foundation）的资助下进行。

论文题目：Leveraging Monostable and BistablePre-Curved Bilayer Actuators for High-Performance Multitask Soft Robots

论文链接：

https://doi.org/10.1002/admt.202000370

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